대용량 배터리 임피던스 및 노후화 분석 시스템의 구현 = Implementation of a High-Capacity Battery Impedance and Degradation Analysis System

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 배터리에 정현파를 인가하여 교류 임피던스를 정밀하게 분석하기 위한 FFT(Fast Fourier Transform) 기반 임피던스 추출 기법을 제안하였다. 제안된 방법은 전압 및 전류 파형으로부터 FFT를 수행하여 주파수 영역에 서 직접 위상과 진폭을 추출하였다. 이를 통해 임피던스의 크기 및 위상각을 정밀하게 계산할 수 있었고 결과는 Nyquist Plot으로 시각화하였다.
초기 배터리와 노후 배터리의 Nyquist Plot 비교를 통해 반원 형태의 직경 및 위치 변화가 확인되었고, 이는 등가회로 모델의 주요 파라미터의 변화와 밀접한 관련이 있음을 확인하였다. 이는 배터리 내부 전기화학 반응의 지연과 확산 저항 증가를 의미하고 배터리 열화 및 노후화의 핵심 지표로 해석할 수 있다. 향후 연구에서는 다양한 충·방전 사이클, 온도, SOC(State of Charge) 조건에 서의 실험 데이터를 확보하여, 1-arc 리튬 이온 배터리 등가회로 모델 파라미터의 변화 추이를 분석할 예정이다. 또한 R 증가율과 수명 저하율의 상관관계, C 감소에 따른 계면 반응성 저하, 확산 저항 증가의 임피던스 스펙트럼 영향 등을 체계적으로 검증하고자 한다. 제안된 FFT 기반 임피던스 분석 및 등가회로 모델 피팅 기법은 배터리의 노후 화 정도를 비파괴적으로 진단할 수 있는 기반 기술로서, 향후 배터리 관리 시스템에 적용하여 실시간 상태 모니터링 및 예지 유지보수 분야에서 높은 활용 가능성을 가진다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차 ⅰ
• 그림 목차 ⅲ
• 국문초록 및 주제어 ⅳ
• 제 1장 서론 1
• 제 2장 이론적 배경 3
• 2.1리튬 이온 배터리 3
• 2.1.1 리튬 이온 배터리의 동작 원리 5
• 2.1.2 전기자동차용 배터리의 특성 5
• 2.2 임피던스 분광법(EIS) 및 Nyquist 해석 6
• 2.2.1 EIS 원리와 측정 절차 6
• 2.2.2 Nyquist Plot의 해석법 7
• 2.3 배터리 노후화와 임피던스 변화의 연관성 9
• 2.3.1 배터리 노후화 메커니즘 9
• 2.3.2 내부저항 증대와 수명 감소 관계 10
• 2.4 배터리 상태 진단 지표 10
• 2.4.1 SOC의 개념과 중요성 11
• 2.4.2 SOH의 정의 및 평가 방법 12
• 제 3 장 분석 시스템 개발 및 구현 13
• 3.1 전체 시스템 구성도 13
• 3.2 측정 프로그램 설계 18
• 3.2.1 데이터 수집 및 전처리 18
• 3.2.2 FFT를 이용한 주파수 해석 알고리즘 20
• 3.2.3 SOC 추정 알고리즘 구현 20
• 3.2.4 임피던스 기반 SOH 계산 모듈 21
• 3.3 Nyquist 시각화 23
• 제 4장 실험 및 결과 분석 27
• 4.1 실험 환경 및 장비 27
• 4.2 전압/전류 파형 비교 분석 28
• 4.3 FFT를 활용한 임피던스 추출 결과 30
• 4.4 SOC 변화에 따른 임피던스 분석 35
• 4.4.1 완전 충전 및 완전 방전 세팅 35
• 4.4.2 완전 충전 및 완전 방전 사이클 35
• 4.4.3 SOC 측정 세팅 35
• 4.4.4 SOC 측정 사이클 35
• 4.4.5 SOC 테이블 비교 36
• 4.5 배터리 노후화에 따른 Nyquist 곡선 변화 37
• 4.5.1 초기 배터리와 노후 배터리 비교 37
• 4.5.2 임피던스 값의 수명 예측 활용 가능성 39
• 4.5.3 임피던스 값의 수명 실험 결과 40
• 4.5.4 실험 과정에서의 문제점 및 고려 사항 43
• 제 5장 결론 45
• Abstract 47
• 참고 문헌 48